팰컨 9 v1.1
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1. 개요
팰컨 9 v1.1은 스페이스X가 개발한 2단 액체 추진 방식의 발사체이다. 2013년 9월 첫 발사에 성공했으며, 팰컨 9 v1.0보다 추력이 향상된 멀린 1D 엔진을 사용하고 1단 로켓과 다단 로켓의 길이가 길어졌다. 2016년 1월 15번째이자 마지막 비행을 수행했으며, 15번의 발사 중 14번은 주요 탑재체를 궤도에 성공적으로 투입했다. 팰컨 9 v1.1은 재사용 발사체 기술을 시험하기 위해 1단계 부스터의 제어 하강 및 착륙 시험을 진행했으며, 이후 팰컨 9 풀 트러스트 모델의 개발에 기여했다.
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팰컨 9 v1.1 | |
---|---|
기본 정보 | |
![]() | |
기능 | 중형 리프트 발사체 |
제조사 | 스페이스X |
원산지 | 미국 |
가격 | 5,650만 달러 (2013년) – 6,120만 달러 (2015년) |
높이 | 페이로드 페어링 포함 시 , 드래건 포함 시 |
단수 | 2 |
성능 | |
저궤도 (28.5°) | , (PAF 구조적 제한) |
기타 정보 | |
계열 | 팰컨 9 |
파생 | 팰컨 9 v1.0 |
파생형 | 팰컨 9 풀 스러스트 |
비교 대상 | 아틀라스 V H-IIA 창정 3B |
상태 | 퇴역 |
발사장 | 케이프커내버럴 SLC-40 밴덴버그 SLC-4E |
발사 횟수 | 15 |
성공 횟수 | 14 |
실패 횟수 | 1 |
부분적 실패 횟수 | 0 |
착륙 횟수 | 0 / 3회 시도 |
첫 발사 | 2013년 9월 29일 |
마지막 발사 | 2016년 1월 17일 |
탑재체 | CASSIOPE SES-8 Thaicom 6 드래건 Orbcomm OG2 AsiaSat 8 AsiaSat 6 DSCOVR ABS-3A Eutelsat 115 West B TürkmenÄlem 52°E / MonacoSAT Jason-3 |
1단 정보 | |
종류 | 1단 |
엔진 | 9x 멀린 1D |
추력 | 해면: 진공: |
비추력 | 해면: 282초 진공: 311초 |
연소 시간 | 180초 |
연료 | LOX / RP-1 |
2단 정보 | |
종류 | 2단 |
엔진 | 1x 멀린 1D 진공 |
비추력 | 340초 |
연소 시간 | 375초 |
연료 | 액체 산소 / RP-1 |
2. 역사
2013년 9월 29일, 팰컨 9 v1.1의 첫 발사가 성공적으로 이루어졌다.[54][42] 이는 팰컨 9 v1.0에 비해 여러 가지 중요한 개선이 이루어진 버전이었다. 팰컨 9 v1.1은 기존 팰컨 9 v1.0의 멀린 1C 엔진 대신 추력이 향상된 멀린 1D 엔진을 사용했다.[45] 팰컨 9 v1.1은 v1.0보다 60% 더 무거워졌으며, 추력도 60% 더 강력해졌다.[13]
더 강력해진 엔진을 위해 추가 추진제를 탑재하고자 연료 탱크가 60% 더 길어졌고, 이로 인해 로켓의 전체 길이도 상당히 늘어났다.[13][45] 이는 비행 중 굽힘에 더 취약하게 만들었다.[13] 1단 엔진의 배치는 기존 v1.0의 사각형 배열에서 변경되어, 8개의 엔진이 중앙 엔진 주위를 원형으로 감싸는 '옥타웹'(Octaweb) 구조를 채택했다.[12][15] 이 옥타웹 구조는 제조 공정을 단순화하기 위해 고안되었다.[15] 이 외에도 단 분리 시스템의 부착 지점을 12개에서 3개로 줄여 재설계했으며,[13] 항공 전자 장치와 소프트웨어도 업그레이드되었다.[13] 이러한 개선을 통해 저궤도(LEO)로 보낼 수 있는 탑재량이 10454kg[14]에서 13150kg으로 증가했다.[66] 이후 발사된 v1.1 로켓에는 제어된 하강 및 착륙 시험을 위해 4개의 접이식 착륙 다리가 장착되기도 했다.[16][51][52]
팰컨 9 v1.1의 첫 비행은 여러 가지 "최초" 기록을 세웠다.[3][43]
- 해수면 추력이 기존 멀린 1C보다 약 56% 향상된 멀린 1D 엔진의 첫 비행.[45]
- 늘어난 추진제를 담기 위해 훨씬 길어진 1단 로켓과 다단 로켓의 첫 사용.[45]
- 9개의 1단 엔진을 옥타웹(Octaweb) 형태로 배열한 첫 사례.[15]
- 미국 서부 해안의 반덴버그 공군 기지 우주 발사 단지 4(SLC-4)에서의 첫 발사 및 태평양 상공의 서부 시험 비행장 첫 이용.[44]
- 드래곤 우주선이 아닌 상업용 인공위성을 탑재한 첫 팰컨 9 발사. (이전 팰컨 1에서는 위성 발사 경험 있음)[45]
- 분리 가능한 페이로드 페어링을 사용한 첫 팰컨 9 발사.[45]
첫 발사 이후, 임무 완료 후 2단 엔진 재점화에 실패하는 문제가 발생했다. 이는 긴 시간 동안 우주 공간을 비행한 뒤 재점화를 시도할 때 발생했는데, 문제를 해결하기 위해 2단 점화기의 추진제 라인에 단열 처리를 추가했다.[40]
팰컨 9 v1.1은 2016년 1월 17일 팰컨 9 21차 비행을 마지막으로 총 15번 발사되었다. 이 중 14번의 발사에서 주요 탑재물을 목표 저궤도(LEO) 또는 정지 천이 궤도(GTO)에 성공적으로 안착시켰다. 유일한 발사 실패는 2015년 6월 28일, 14번째 발사였던 스페이스X CRS-7 임무에서 발생했다. 이때는 2단 로켓의 액체 산소 탱크 내부 압력이 비정상적으로 높아져 1단 연소 중에 공중에서 폭발했다.[46]
2. 1. 개발 과정
팰컨 9 v1.0은 멀린 1C 엔진을 사용했지만, 팰컨 9 v1.1은 추력이 향상된 멀린 1D 엔진을 사용한다. 이후 개발된 팰컨 9 v1.2는 멀린 1D 엔진의 최대 추력을 사용한다. 멀린 로켓 엔진은 지속적인 개량을 통해 추력이 향상되었는데, 2006년 멀린 1A 엔진의 추력은 35톤이었으나 2016년 멀린 1D+ 엔진은 93톤에 달했다.2013년 4월, 팰컨 9 v1.1 1단계의 점화 시스템 테스트가 진행되었다.[36] 같은 해 6월 1일에는 팰컨 9 v1.1 1단계의 10초간 연소 시험이 있었고, 며칠 뒤에는 3분간의 완전 연소 시험이 예정되어 있었다.[37][38]
2013년 9월까지 스페이스X(SpaceX)의 전체 제조 공간은 약 약 92903.04m2로 확장되었다. 이 공장은 팰컨 9 v1.1과 팰컨 헤비 로켓 코어를 합쳐 연간 최대 40개까지 생산할 수 있도록 구성되었다.[39] 2013년 11월 당시 팰컨 9 발사체의 생산 속도는 한 달에 한 대 수준이었지만, 스페이스X는 2014년 중반까지 연간 18대, 2014년 말까지는 연간 24대로 생산량을 늘릴 계획임을 밝혔다.[40]
늘어나는 발사 일정과 발사 속도에 대응하기 위해, 스페이스X는 2014년부터 발사 시설에 이중 트랙 방식의 병렬 발사 처리 시스템을 구축하여 발사 처리 능력을 향상시키고자 했다. 2014년 3월 기준으로, 이 시스템은 2015년 중반에 운영될 것으로 예상되었으며, 2015년 발사 횟수를 월 2회 수준으로 목표했다.[41]
3. 설계
팰컨 9 v1.1은 2단, 액체 산소/RP-1 추진 방식을 사용하는 발사체이다.[8]
3. 1. 팰컨 9 v1.0과의 비교
팰컨 9 v1.1은 2013년 9월 29일 최초 발사되었으며, 이전 버전인 팰컨 9 v1.0에 비해 여러 개선 사항이 적용되었다. v1.1은 v1.0보다 60% 더 무겁고 60% 더 강력한 추력을 가졌다.[13] 로켓의 전체 길이는 v1.0의 54.9m에서 68.4m로 늘어났는데,[13] 이는 연료 탱크가 60% 더 길어졌기 때문이며, 이로 인해 비행 중 굽힘에 더 취약해지는 특성을 보였다.[13]엔진 역시 멀린 1C 엔진에서 추력이 향상된 멀린 1D 엔진으로 업그레이드되었다. 1단 엔진의 배치 방식도 변경되었는데, v1.0은 9개의 엔진을 사각형 형태로 배열했지만, v1.1은 8개의 엔진이 중앙의 엔진 하나를 둘러싸는 원형 패턴, 즉 스페이스X가 "Octaweb"이라고 부르는 구조를 채택했다.[12][15] 이는 제조 공정을 단순화하기 위한 목적이었다.[15] 이러한 개선을 통해 저궤도(LEO)로 보낼 수 있는 탑재량이 10454kg[14]에서 13150kg으로 증가했다.[66]
단 분리 시스템도 재설계되어 부착 지점 수가 12개에서 3개로 줄었으며,[13] 항공 전자 장치와 소프트웨어도 업그레이드되었다.[13] 또한, v1.1 후기 버전에는 제어 하강 및 착륙 시험을 위해 4개의 접이식 착륙 다리가 추가되었다.[16][51][52] 팰컨 9 6차 비행에서는 처음으로 분리 가능한 페이로드 페어링이 장착되어 발사되었다.[45]
3. 2. 1단
팰컨 9 v1.1의 1단 부스터는 9개의 멀린 1D 엔진으로 구동된다.[17][18] 이는 팰컨 9 v1.0에 사용된 멀린 1C 엔진을 추력이 더 강력한 멀린 1D 엔진으로 업그레이드한 것이다. 1단의 엔진 개발 테스트는 2013년 7월에 완료되었다.[19][20]
9개의 1단 엔진은 스페이스X가 'Octaweb'이라고 부르는 구조 형태로 배열되어 있다. 이는 8개의 엔진이 중앙의 단일 엔진을 중심으로 원형 패턴으로 배치된 형태로, v1.0의 사각형 엔진 배열에서 변경된 것이다. Octaweb 패턴은 제조 공정을 단순화하기 위해 고안되었다.[15]
v1.1 1단은 발사 시 총 5885kN의 해수면 추력을 내며, 부스터가 대기권을 벗어나면서 추력은 6672kN까지 증가한다.[21] 이는 v1.0 버전보다 60% 더 강력한 추력이다.[13] 또한 연료 탱크가 v1.0보다 60% 더 길어졌다.[13] 1단 점화제로는 v1.0과 마찬가지로 트리에틸알루민-트리에틸보란(TEA-TEB)의 자연 발화 혼합물을 사용한다.[63] RP-1 및 액체 산소 탱크에서 9개 엔진으로 연결되는 주요 추진제 공급 튜브의 직경은 약 10.16cm이다.[26]
팰컨 9 v1.0이나 새턴 시리즈 로켓처럼, 여러 개의 1단 엔진을 사용함으로써 비행 중 엔진 하나가 고장 나더라도 임무를 완수할 수 있는 능력을 갖추었다.[62][64]
재사용 발사 시스템 개발 프로그램의 일환으로, 일부 v1.1 1단 부스터에는 제어된 하강 및 착륙 시험을 위해 4개의 확장형 착륙 다리[16][51][52]와 강하 제어용 격자형 날개가 장착되었다. 격자형 날개는 CRS-5 임무부터 실제 발사에 구현되었다.[23] 스페이스X는 궁극적으로 완전한 수직 착륙이 가능한 재사용 팰컨 9 및 팰컨 헤비 발사체 개발을 목표로 하고 있다.[51][52]
3. 3. 2단
2단은 진공 상태에서 작동하도록 수정된 단일 멀린 1D 엔진으로 구동된다.[27] 2013년 9월 첫 발사 이후 발생한 2단 엔진 재시동 실패 문제를 해결하기 위해, 긴 관성 비행 후 우주 공간 재시동 성능을 높이도록 점화기 추진제 라인을 단열 처리하는 개선이 이루어졌다.[40]팰컨 9의 1단과 2단을 연결하는 인터스테이지는 탄소 섬유 알루미늄 코어 복합 구조로 만들어졌다.[28] 분리 시에는 콜릿과 공압 푸셔 시스템이 사용된다.[29]
2단의 탱크 벽과 돔은 알루미늄-리튬 합금으로 만들어졌다.[30] SpaceX는 제조 결함을 줄이고 비용을 절감하기 위해 전체 마찰 교반 용접 기술로 탱크를 제작한다.[31] 2단 탱크는 1단 탱크를 축소한 형태로, 대부분 동일한 도구, 재료, 제조 기술을 사용하여 생산 비용을 절감했다.[62]
3. 4. 페이로드 페어링
팰컨 9 6차 비행은 분리 가능한 페이로드 페어링을 장착한 팰컨 9의 첫 발사였다.[45] 이 페어링의 디자인은 스페이스X(SpaceX)에서 완료하였으며, 길이 약 13.11m, 지름 약 5.18m 크기의 페이로드 페어링 생산은 캘리포니아주 호손에서 이루어졌다.[32]새로운 페어링 디자인의 테스트는 2013년 봄 NASA의 플럼 브룩 기지 시설에서 완료되었다. 이 테스트에서는 음향 충격, 기계적 진동, 전자기파 정전기 방전 조건을 모의 시험했으며, 진공 챔버에서 실제 크기의 테스트 품목을 사용하여 진행되었다. 스페이스X는 이 테스트를 위해 NASA의 시뮬레이션 챔버 시설 이용료로 581300USD를 지불했다.[33]
팰컨 9 v1.1의 첫 번째 비행이자 팰컨 9 계열 로켓 중 처음으로 페어링을 사용한 ''CASSIOPE'' 발사(2013년 9월)와 이후 두 차례의 GTO(정지 천이 궤도) 투입 임무에서 페어링은 문제없이 성공적으로 분리되었다.[33] 드래곤 우주선을 이용하는 임무에서는 우주선 캡슐 자체가 탑재된 소형 위성 등을 보호하므로 별도의 페어링이 필요하지 않다.[34]
3. 5. 제어
스페이스X는 결함 허용 설계에 기반한 다중 중복 비행 컴퓨터를 사용한다.[35] 각 멀린 엔진은 3개의 투표 로직 컴퓨터로 제어되는데, 이 컴퓨터들은 각각 2개의 물리적 프로세서를 가지고 서로를 지속적으로 확인한다.[35] 시스템 소프트웨어는 리눅스 운영체제에서 실행되며, 프로그래밍 언어로는 C++가 사용된다.[35]또한, 시스템의 유연성을 높이기 위해 고가의 방사선 경화 부품 대신 상용 기성품 부품과 시스템 전체에 '방사선 내성' 설계를 적용하는 방식을 채택했다.[35] 팰컨 9 v1.1은 이전 버전인 팰컨 9 v1.0에서 사용했던 3중 모듈 중복 방식의 비행 컴퓨터와 관성 항법 시스템을 계속 사용하며, 추가적인 궤도 삽입 정확도를 높이기 위해 GPS 정보를 활용한다.[62]
4. 재사용 기술
팰컨 9 v1.1은 2013년 9월 첫 발사부터 재사용 발사체 기술의 여러 측면을 설계에 포함했다. 예를 들어, 1단에는 추력 조절 및 재점화가 가능한 엔진이 탑재되었고, 향후 착륙 다리를 추가할 수 있도록 구조적으로 설계되었다.[48] 이는 스페이스X가 발사체의 완전하고 빠른 재사용을 목표로 민간 우주 비행 개발 프로그램을 시작한 지 2년 만에 이루어진 중요한 단계였다.[48]
로켓을 자체 추진력만으로 발사 지점까지 되돌리는 시스템에 대한 설계는 2012년 2월에 이미 완료된 상태였다.[49] 스페이스X는 이 재사용 기술을 팰컨 9뿐만 아니라 팰컨 헤비에도 적용할 계획이었는데, 특히 팰컨 헤비의 경우 비행 초기에 외부 부스터가 분리되어 상대적으로 낮은 속도를 가지므로 재사용에 더 유리할 것으로 판단했다.[49]
재사용 가능한 1단 기술 개발을 위해 스페이스X는 그래스호퍼 로켓이라는 시험용 로켓을 운용했다.[50] 그래스호퍼 v1.0은 저고도, 저속 환경에서 VTVL(수직 이착륙) 기술을 검증하기 위한 목적으로 제작되었으며, 2012년 말부터 2013년 8월까지 총 7번의 시험 비행을 성공적으로 마쳤다. 이 시험에는 250m 상공에서 61초 동안 제자리 비행(호버링)하는 것도 포함되었다.
2013년 3월, 스페이스X는 팰컨 9 v1.1의 모든 1단을 발사 후 회수하기 위한 제어 하강 시험에 활용할 것이라고 공식 발표했다. 이를 위해 각 1단에는 필요한 계측 장비가 장착되었으며,[51] 초기에는 바다 위에 연착륙을 시도하는 방식으로 기술을 검증하고 데이터를 축적할 계획이었다. 스페이스X는 이 과정에서 여러 번의 실패를 예상하며 점진적으로 기술을 완성해 나갈 것이라고 밝혔다.[51] 실제 착륙 시도와 그 결과는 이후 발사에서 구체적으로 진행되었다.
재사용 가능한 팰컨 9, 즉 팰컨 9-R(F9-R) 개발과 관련된 정보도 공개되었다. 2013년 4월에는 팰컨 9 v1.1의 9개 멀린 1D 엔진 구성에 적용될 재점화 가능 점화 시스템의 첫 시험 사진이 공개되었고,[36] 2014년 3월에는 1단 부스터만 재사용하는 F9-R 버전의 정지 천이 궤도(GTO) 탑재량이 약 3500kg 수준이 될 것이라고 발표했다.[53]
4. 1. 착륙 시험

팰컨 9 v1.1은 발사 임무 완료 후 1단계 부스터를 회수하기 위한 다양한 비행 시험을 수행했다. 이 시험들은 1단계 부스터가 방향 전환 기동, 로켓의 수평 속도를 줄이기 위한 부스트백 연소, 극초음속 상태에서 대기 재진입 시 기체 손상을 줄이기 위한 재진입 연소, 목표 지점까지 자율 유도를 통한 제어된 대기 하강, 그리고 최종적으로 착륙 직전 수직 속도를 0으로 만드는 착륙 연소 과정을 포함했다. 스페이스X는 2013년 3월, 이 시험 프로그램을 발표하며 궁극적으로 발사 지점으로 귀환하여 수직 이착륙 방식으로 착륙하는 것을 목표로 삼았다.[51]
첫 번째 해상 착륙 시험은 2013년 9월 29일, 팰컨 9 6차 비행의 1단계 부스터로 이루어졌다.[54] 이 시험에서 부스터는 성공적으로 방향을 전환하고 제어된 상태로 대기권에 재진입했으나, 마지막 착륙 연소 단계에서 문제가 발생했다. 공기역학적 힘에 의해 부스터가 회전하기 시작했고, 자세 제어 시스템(ACS) 추력기가 이 회전을 막지 못했다. 결국 원심력으로 인해 엔진 연료 공급이 중단되면서 엔진이 조기에 꺼졌고, 부스터는 바다에 강하게 충돌하며 파괴되었다. 스페이스X는 잔해 일부를 회수하여 분석했다.[8]
이후 스페이스X CRS-3 임무의 1단계 부스터는 바다 위에 성공적인 연착륙을 이끌었지만, 회수되기 전에 거친 파도에 의해 파괴된 것으로 추정된다.[55]
스페이스X는 해상 착륙 시험을 계속 진행하며, 자율 우주항 드론 선박(ASDS)이라는 이름의 해상 플랫폼에 착륙을 시도했다. 2015년 1월 CRS-5 임무의 1단계 부스터는 ASDS까지 성공적으로 유도되었으나, 너무 강하게 착륙하여 파괴되었다.[56] 다음 시도인 CRS-6 임무에서는 1단계 부스터가 ASDS 위에 연착륙하는 데 성공했지만, 착륙 직후 과도한 측면 속도 때문에 넘어져 폭발했다.[57] 스페이스X CEO 일론 머스크는 엔진 추력을 조절하는 스로틀 밸브가 고착되어 착륙을 위한 정밀한 제어가 어려웠다고 설명했다.[58]
결론적으로 팰컨 9 v1.1 버전은 퇴역할 때까지 1단계 부스터를 성공적으로 회수하거나 재사용하지 못했다. 그러나 이러한 착륙 시험을 통해 얻은 데이터와 경험은 후속 모델인 팰컨 9 풀 트러스트 개발에 중요한 밑거름이 되었다. 팰컨 9 풀 트러스트는 마침내 2015년 12월에 첫 지상 착륙에 성공했고, 2016년 4월에는 ASDS 위 첫 해상 착륙에 성공하며 로켓 재사용 시대의 본격적인 시작을 알렸다.
5. 발사 비용
2015년 10월 기준, 팰컨 9 v1.1의 상업 발사 가격은 6120만달러였다. 이는 2013년 10월의 5650만달러에서 인상된 금액으로, 우주 발사 시장 경쟁에서 경쟁을 벌이고 있었다.[59]
국제 우주 정거장(ISS)에 대한 NASA 재보급 임무(각 비행마다 우주 캡슐 페이로드와 새로운 드래곤 화물 우주선을 제공하는 것을 포함)의 평균 가격은 1.33억달러였다.[60] NASA와 계약한 최초 12번의 화물 수송 비행은 고정된 가격으로 한 번에 이루어졌으므로, v1.1 발사는 v1.0 발사와 비교하여 가격 변화가 반영되지 않았다. 이 계약은 고정된 횟수의 비행 동안 국제 우주 정거장으로 운송하고 반환하는 특정 양의 화물에 대한 것이었다.
스페이스X는 임무 보증 프로세스 비용으로 인해, 미국 군에 대한 발사 가격이 상업 발사보다 약 50% 더 비쌀 것이라고 밝혔으며, 팰컨 9 발사는 미국 연방 정부에 약 9000만달러에 판매될 것으로 예상되었다. 이는 당시 스페이스X가 아닌 다른 발사체에 대해 미국 연방 정부가 지불하던 평균 비용인 거의 4억달러와 비교된다.[61]
6. 발사 장소
팰컨 9 v1.1 로켓은 케이프커내버럴 공군 기지의 제40발사대와 반덴버그 공군 기지의 제4E발사대에서 발사되었다. 반덴버그 공군 기지는 2013년 9월 29일 v1.1 초도 비행[54]과 2016년 1월 17일 마지막 임무에 사용되었다.
케네디 우주 센터의 제39A 발사대와 텍사스주 남부 보카 치카에 위치한 추가 발사 기지에서는 팰컨 9 v1.1의 후속 모델인 팰컨 9 풀 트러스트와 팰컨 헤비가 발사될 예정이다.
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